DE3855699T2 - A method of manufacturing a superconducting article, and apparatus and systems using the article - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Gegenstandes.The present invention relates to a method for producing a superconducting article.
Seit der Entdeckung der Supraleitfähigkeit im Jahre 1911 waren bis in jüngster Vergangenheit nahezu alle bekannten supraleitenden Materialien elementare Metalle (z.B. Hg, der erste bekannte Supraleiter), Metallegierungen oder intermetallische Verbindungen (z.B. Nb&sub3;Ge, wahrscheinlich das Material mit der höchsten Übergangstemperatur Tc, das vor 1986 bekannt war).Since the discovery of superconductivity in 1911, until recently, almost all known superconducting materials were elemental metals (e.g. Hg, the first known superconductor), metal alloys or intermetallic compounds (e.g. Nb3Ge, probably the material with the highest transition temperature Tc known before 1986).
Kürzlich wurde Supraleitfähigkeit bei einer neuen Klasse von Materialien, nämlich den Metalloxiden entdeckt. Siehe z.B. J.G. Bednorz und K.A. Müller, Zeitschr. f. Physik B - Condensed Matter, Band 64, 189 (1986), die über Supraleitfähigkeit in Lanthan-Barium-Kupferoxid berichten.Recently, superconductivity was discovered in a new class of materials, namely metal oxides. See, for example, J.G. Bednorz and K.A. Müller, Zeitschr. f. Physik B - Condensed Matter, Volume 64, 189 (1986), who report on superconductivity in lanthanum-barium-copper oxide.
Der genannte Artikel führte zu einer weltweiten Forschungsaktivität, die sehr schnell zu weiteren deutlichen Fortschritten führte. Dieser Fortschritt führte bis heute u.a. zu der Entdeckung, daß Verbindungen in dem Y-Ba-Cu-O- System Supraleitfähigkeitsübergangstemperaturen Tc oberhalb von 77 K aufweisen können, d.h. oberhalb des Siedepunktes von flüssigem N&sub2; (siehe z.B. M.K. Wu et al., Physical Review Letters, Band 58, Seite 908, 2. März 1987 und P.H. Hor et al., ibid, Seite 911). Die Fortschritte führten zudem zu der Identifizierung der Materialphase, die für die beobachtete Hochtemperatursupraleitfähigkeit verantwortlich ist und zu der Entdeckung von Verbindungen und Verarbeitungsverfahren, die wiederum zur Herstellung von Massenproben aus einem im wesentlichen einphasigen Material mit einer Übergangstemperatur Tc von mehr als 90 K führten. Siehe z.B. den Artikel von R.J. Cava et al., Physical Review Letters, Band 58(16), Seiten 1676-1679, der hier durch Bezugnahme aufgenommen wird.The article in question led to a worldwide research activity which very quickly led to further significant progress. This progress has led to the discovery to date that compounds in the Y-Ba-Cu-O system can have superconductivity transition temperatures Tc above 77 K, i.e. above the boiling point of liquid N₂ (see e.g. MK Wu et al., Physical Review Letters, volume 58, page 908, March 2, 1987 and PH Hor et al., ibid, page 911). The progress also led to the identification of the material phase responsible for the observed high-temperature superconductivity and to the discovery of compounds and processing methods which in turn led to the production of bulk samples of an essentially single-phase material with a transition temperature Tc of more than 90 K. See e.g. the article by RJ Cava et al., Physical Review Letters, Volume 58(16), pages 1676-1679, which is incorporated herein by reference.
Die Aufregung in der wissenschaftlichen und technischen Fachwelt, die durch die jüngsten Fortschritte bei der Erforschung der Supraleitfähigkeit hervorgerufen wurde, sind zumindest teilweise auf die enorme potentielle technische Bedeutung der Verfügungbarkeit von Materialien zurückzuführen, die bei Temperaturen supraleitfähig sind, bei denen keine Kühlung mit teurem flüssigem Helium erforderlich ist. Flüssiger Stickstoff wird im allgemeinen als eines der günstigsten Kühlmittel angesehen und das Ereichen einer Supraleitfähigkeit bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff war ein lang ersehntes Ziel, das bis vor kurzem noch als unerreichbar erschien.The excitement in the scientific and engineering community caused by recent advances in the study of superconductivity is due, at least in part, to the enormous potential technical significance of having materials that are superconductive at temperatures that do not require cooling with expensive liquid helium. Liquid nitrogen is generally considered to be one of the cheapest coolants, and achieving superconductivity at liquid nitrogen temperatures has been a long-sought goal that until recently seemed unattainable.
Obgleich dieses Ziel zwischenzeitlich erreicht wurde, gibt es nach wie vor noch Grenzen, die es zu überwinden gilt, bevor die neuen oxidischen Hochtemperatursupraleiter auf vielen technischen Anwendungsgebieten eingesetzt werden können. Es müssen insbesondere noch Verfahren zur Bildung von Hochtemperaturgegenständen entwickelt werden, die auch eine technisch bedeutsame Form oder Gestalt aufweisen. Unter den Formen von technischer Bedeutung sind längliche Körper mit einer normalleitenden Metallumhüllung, wie z.B. Drähte und Bänder.Although this goal has now been achieved, there are still limits that must be overcome before the new oxide high-temperature superconductors can be used in many technical applications. In particular, processes for forming high-temperature objects that also have a technically important shape or form still need to be developed. Among the shapes of technical importance are elongated bodies with a normally conductive metal coating, such as wires and strips.
Metallische Supraleiter nach dem Stand der Technik wurden in Draht- und Bandform hergestellt und beispielsweise für surpaleitenden Magneten verwendet. Es ist bekannt, daß supraleitende Drähte und desgleichen nahezu unveränderlich von einer Umhüllung aus einem normalleitenden Metall umgeben sind, die u.a. im Falle eines örtlichen Verlustes der Supraleitfähigkeit einen alternativen Stromweg bildet.State-of-the-art metallic superconductors have been manufactured in wire and strip form and used, for example, for superconducting magnets. It is known that superconducting wires and the like are almost invariably surrounded by a sheath made of a normally conducting metal, which, among other things, forms an alternative current path in the event of a local loss of superconductivity.
Ein allgemeiner Überblick über potentielle Anwendungsmöglichkeiten für Supraleiter ist beispielsweise den folgenden beiden Büchern zu entnehmen: B.B. Schwartz und S. Foner, Herausgeber, Superconductor Applications: Squids and Machines, Plenum Press, 1977, und S. Foner und B.B. Schwartz, Herausgeber, Superconductor Material Science, Metallurgy, Fabrications and Applications, Plenum Press 1981. Als Anwendungsgebiete kommen Energieübertragungs- oder Hochspannungsleitungen, elektrische Maschinen und supraleitende Magnete in Betracht, die beispielsweise für Fusionsgeneratoren, MHD-Generatoren, Teilchenbeschleuniger, Schwebebahnen, Magnetabscheider und Energiespeichereinrichtungen verwendet werden. Ein weiteres Anwendungsgebiet bilden auch Sperrschichtbauelemente und Detektoren. Es ist zu erwarten, daß viele der obengenannten Anwendungsgebiete und auch andere Anwendungsgebiete der Supraleitfähigkeit wirtschaftlich profitieren würden, wenn anstelle der zuvor erwähnten Materialien mit einer relativ niedrigen Übergangstemperatur Tc supraleitende Materialien mit höheren Übergangstemperaturen eingesetzt werden könnten.A general overview of potential Possible applications for superconductors can be found in the following two books, for example: BB Schwartz and S. Foner, editors, Superconductor Applications: Squids and Machines, Plenum Press, 1977, and S. Foner and BB Schwartz, editors, Superconductor Material Science, Metallurgy, Fabrications and Applications, Plenum Press 1981. Possible applications include power transmission or high-voltage lines, electrical machines and superconducting magnets, which are used for example for fusion generators, MHD generators, particle accelerators, levitation trains, magnetic separators and energy storage devices. Another application area is junction devices and detectors. It is to be expected that many of the above-mentioned applications and also other applications of superconductivity would benefit economically if superconducting materials with higher transition temperatures could be used instead of the previously mentioned materials with a relatively low transition temperature Tc.
Die amerikanische Patentanmeldung mit der Aktenzeichen 034,117 ('117), die unter dem Titel "Apparatus and Systems Comprising a Clad Superconductive Oxide Body, and Method for Producing Such Body" am 1. April 1987 von S. Jin et al. eingereicht wurde, offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Oxiddrahtes und anderer länglicher Gegenstände mit einer Umhüllung aus einem normalleitenden Material. Das Verfahren umfaßt eine Wärmebehandlung des umhüllten länglichen Gegenstandes. Die relevanten Oxide verlieren bei relativ hohen Temperaturen (wie sie typischerweise zum Sintern erforderlich sind) Sauerstoff und nehmen in einem mittleren Temperaturbereich Sauerstoff auf. Die obengenannte Patentanmeldung offenbart verschiedene Verfahren zur Durchführung der Wärmebehandlung, dergestalt, daß der Sauerstoffgehalt des gesinterten Oxids in dem Bereich liegt, in dem Supraleitfähigkeit auftritt, und daß das Oxid eine geeignete Kristallstruktur aufweist. Bei einem der vorgeschlagenen Verfahren wird der normalleitende Metallmantel, der das Oxidpulver umgibt, in geeigneten Abständen durchlöchert, so daß der Umgebungssauerstoff in Kontakt mit dem Pulver gelangen kann (siehe '117, Seite 8).U.S. Patent Application Serial No. 034,117 ('117), filed April 1, 1987, entitled "Apparatus and Systems Comprising a Clad Superconductive Oxide Body, and Method for Producing Such Body" by S. Jin et al., discloses a method for producing a superconducting oxide wire and other elongated articles having a sheath of a normally conducting material. The method comprises heat treating the sheathed elongated article. The relevant oxides lose oxygen at relatively high temperatures (such as are typically required for sintering) and absorb oxygen in an intermediate temperature range. The above-mentioned patent application discloses various methods for carrying out the heat treatment such that the oxygen content of the sintered oxide is in the range in which superconductivity occurs and that the oxide has a suitable crystal structure. In a In the proposed process, the normally conductive metal sheath surrounding the oxide powder is perforated at suitable intervals so that the ambient oxygen can come into contact with the powder (see '117, page 8).
Obgleich '117 verschiedene Verfahren offenbart, die zur Herstellung eines länglichen, umhüllten supraleitenden Oxidgegenstandes, wie z.B. ein Draht oder ein Band, eingesetzt werden können, sind weitere einfache Verfahren zur Herstellung solcher Gegenstände, die während der Wärmebehandlung zuverlässig einen relativ freien Zutritt für Sauerstoff zu dem supraleitenden Oxid ermöglichen, von beträchtlicher technischer und wirtschaftlicher Bedeutung. Die vorliegende Anmeldung offenbart ein solches Verfahren.Although '117 discloses various processes that can be used to make an elongated, coated superconducting oxide article, such as a wire or a ribbon, other simple processes for making such articles that reliably allow relatively free access of oxygen to the superconducting oxide during heat treatment are of considerable technical and commercial importance. The present application discloses such a process.
Bei dem hier verwendeten (Ba, Y)-Kupratsystem handelt es sich um eine Klasse von Oxiden mit der allgemeinen Formal Ba2-xM1-yXx+yCu&sub3;O9-δ, wobei M eines der Elemente Y, Eu oder La ist und X eines oder mehrere möglichen Elemente, die von Ba und M verschieden sind und aus den Elementen mit der Atomzahl 57-71, Sc, Ca und Sr ausgewählt werden. x+y liegt typischerweise im Bereich zwischen 0 und 1 (wobei Ba und M zu zumindest 50% nicht ersetzt sind). Typischerweise gilt 1,5 < δ < 2,5. Bei einer besonders bevorzugten Unterklasse des (Ba, Y)-Kupratsystems gilt 0 ≤ y ≤ 0,1, wobei das wahlweise vorhandene Element X eines oder mehrere der Elemente Ca, Sr, Lu und Sc ist. Wegen weiterer Beispiele sei auf D.W. Murphy et al. Physical Review Letters, Band 58(18), Seiten 1888-1890, (1987), verwiesen.The (Ba,Y) cuprate system used here is a class of oxides with the general formula Ba2-xM1-yXx+yCu₃O9-δ, where M is one of the elements Y, Eu or La and X is one or more possible elements other than Ba and M selected from the elements with atomic number 57-71, Sc, Ca and Sr. x+y is typically in the range between 0 and 1 (with Ba and M at least 50% unsubstituted). Typically 1.5 < δ < 2.5. A particularly preferred subclass of the (Ba,Y) cuprate system is 0 ≤ y ≤ 0.1, where the optional element X is one or more of the elements Ca, Sr, Lu and Sc. For further examples see D.W. Murphy et al. Physical Review Letters, Volume 58(18), Pages 1888-1890, (1987).
Bei dem (La, Ba)-Kupratsystem handelt es sich um eine Klasse von Oxiden mit der allgemeinen Formel La2-xMxCuO4-ε, wobei M für ein oder mehrere divalente Metalle (z.B. Ba, Sr, Ca) steht, wobei x ≥ 0,05 ist und wobei 0 ≤ ε ≤ 0,5 ist.The (La, Ba) cuprate system is a class of oxides with the general formula La2-xMxCuO4-ε, where M represents one or more divalent metals (e.g. Ba, Sr, Ca), where x ≥ 0.05 and where 0 ≤ ε ≤ 0.5.
Als "normalleitendes" Metall wird hier ein Metall bezeichnet, das bei Temperaturen von technischem Interesse nicht supraleitend wird, d.h. typischerweise bei Temperaturen von mehr als 2 K.The "normally conductive" metal is defined here as a metal which does not become superconducting at temperatures of technical interest, i.e. typically at temperatures above 2 K.
Fig. 1 und 2 zeigen in schematischer Darstellung einen Querschnitt durch ein beispielhaftes erfindungsgemäßes Zwischenprodukt bzw. durch einen aus diesem Zwischenprodukt hergestellten umhüllten supraleitenden Gegenstand; undFig. 1 and 2 show a schematic representation of a cross section through an exemplary intermediate product according to the invention or through a coated superconducting object made from this intermediate product; and
Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung eine beispielhafte erfindungsgemäße Vorrichtung, nämlich einen supraleitenden Elektromagneten.Fig. 3 shows a schematic representation of an exemplary device according to the invention, namely a superconducting electromagnet.
Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Gegenstandes mit einer porösen normalleitenden Metallumhüllung offenbart, wobei es sich bei dem supraleitenden Material um eine chemische Verbindung handelt, die typischerweise ein Oxid ist. Das Verfahren ermöglicht während der Wärmebehandlung des Gegenstandes einen relativ freien Zutritt der Umgebungsatmosphäre zu dem supraleitenden Material, so daß sich die chemische Zusammensetzung (z.B. der Sauerstoffgehalt des supraleitenden Oxids) nicht verändert oder zumindest innerhalb vorgegebener Grenzen liegt, die mit dem Auftreten von Supraleitfähigkeit in der chemischen Verbindung zusammenhängen.A method is disclosed for producing a superconducting article with a porous normal conducting metal casing, the superconducting material being a chemical compound, which is typically an oxide. The method allows relatively free access of the ambient atmosphere to the superconducting material during heat treatment of the article, so that the chemical composition (e.g. the oxygen content of the superconducting oxide) does not change or at least lies within predetermined limits associated with the occurrence of superconductivity in the chemical compound.
Das Verfahren umfaßt die Bildung eines Zwischenproduktes, das eine normalleitende Metallumhüllung umfaßt, die eine gewisse Menge einer supraleitenden chemischen Verbindung umgibt. Es umfaßt zudem die Bildung eines Gegenstandes aus dem Zwischenprodukt durch einen oder mehrere formverändernde Verfahrensschritte (z.B. Ziehen durch Ziehdüsen oder Preßringe, Walzen oder andere Formen von formverändernden Verfahrensschritten) und eine Wärmebehandlung des Gegenstandes. Die Verfahrensparameter bei der Wärmebehandlung werden u.a. so gewählt, daß typischerweise ein merkliches Sintern des supraleitenden Materials auftritt. Das Material der normalleitenden Metallumhüllung wird so gewählt, daß das das supraleitende Material umgebende Umhüllungsmaterial zumindest während eines Teils der Wärmebehandlung relativ porös ist, so daß eine geeignete Umgebungsatmosphäre einen relativ freien Zutritt zu dem supraleitenden Material erhält.The process comprises forming an intermediate product comprising a normally conducting metal shell surrounding a certain amount of a superconducting chemical compound. It further comprises forming an article from the intermediate product by one or more shape-changing process steps (e.g. drawing through dies or die rings, rolling or other forms of shape-changing process steps) and heat treatment of the object. The process parameters for the heat treatment are chosen, among other things, so that a noticeable sintering of the superconducting material typically occurs. The material of the normally conductive metal casing is chosen so that the casing material surrounding the superconducting material is relatively porous at least during part of the heat treatment, so that a suitable ambient atmosphere has relatively free access to the superconducting material.
Obgleich das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise in Verbindung mit Oxiden einsetzbar ist, die eine hohe Übergangstemperatur Tc aufweisen, wie z.B. (Ba, Y)-Kuprate und (La, Ba)-Kuprate, ist es auch bei anderen supraleitenden chemischen Verbindungen mit einer hohen Übergangstemperatur Tc (z.B. Nitride, Sulfide, Hydride, Carbide, Fluoride und Chloride) einsetzbar, falls solche anderen Verbindungen existieren. Zur Vereinfachung der Darstellung wird hier zwar häufig auf "Oxide" Bezug genommen, ohne daß hiermit jedoch eine Einschränkung der Erfindung beabsichtigt wäre.Although the method according to the invention is preferably applicable in connection with oxides that have a high transition temperature Tc, such as (Ba, Y) cuprates and (La, Ba) cuprates, it is also applicable to other superconducting chemical compounds with a high transition temperature Tc (e.g. nitrides, sulfides, hydrides, carbides, fluorides and chlorides) if such other compounds exist. To simplify the presentation, reference is often made here to "oxides", but this is not intended to limit the invention.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Querschnitt durch ein beispielhaftes erfindungsgemäßes Zwischenprodukt (eine "Vorform") 10, wobei das supraleitende Material mit dem Bezugszeichen 11 versehen ist, das normalleitende metallische Umhüllungsmaterial mit dem Bezugszeichen 12 und mit dem Bezugszeichen 13 eine (entfernbare) Ummantelung. Das supraleitende Material liegt typischerweise in Pulverform vor, z.B. (Ba, Y)-Kupratpulver mit der Zusammensetzung Ba&sub2;YCu&sub3;O&sub7; oder eine Mischung aus supraleitendem Pulver und Metallpulver, wie es in dem amerikanischen Patent mit dem Aktenzeichen 046,825 offenbart wird, das am 5. Mai 1987 unter dem Titel "Superconductive Oxide Body Having Improved Properties" für S. Jin et al. angemeldet wurde. Das Zwischenprodukt besteht typischerweise zu etwa 5 - 70% aus dem supraleitenden Material.Fig. 1 shows a schematic representation of a cross section through an exemplary intermediate product according to the invention (a "preform") 10, wherein the superconducting material is provided with the reference numeral 11, the normally conducting metallic cladding material with the reference numeral 12 and with the reference numeral 13 a (removable) sheath. The superconducting material is typically in powder form, e.g. (Ba, Y) cuprate powder with the composition Ba₂YCu₃O₇ or a mixture of superconducting powder and metal powder, as disclosed in the American patent with the file number 046,825, which was filed on May 5, 1987 under the title "Superconductive Oxide Body Having Improved Properties" for S. Jin et al. The intermediate product typically consists of about 5 - 70% of the superconducting material.
Das normalleitende metallische Umhüllungsmaterial besteht typischerweise ebenfalls aus Pulver oder aus anderen Teilchen (z.B. Plättchen), obgleich dies kein zwingendes Erfordernis ist. Die normalleitende metallische Umhüllung kann beispielsweise aus einem röhrenförmigen Gegenstand bestehen, der zwei (oder möglicherweise auch mehr) miteinander vermischte Bestandteile (z.B. Al- und Ag- Teilchen), umfaßt, die so ausgewählt werden, daß der eine Bestandteil nach Beendigung des Formveränderungsschrittes und vor der Wärmebehandlung (beispielsweise durch Ätzen) entfernbar ist, ohne daß hierbei der andere Bestandteil mit entfernt wird.The normally conductive metallic cladding material is also typically made of powder or other particles (e.g. flakes), although this is not a mandatory requirement. The normally conductive metallic cladding may, for example, consist of a tubular article comprising two (or possibly more) mixed components (e.g. Al and Ag particles) selected such that one component can be removed after completion of the shape-changing step and before heat treatment (e.g. by etching) without removing the other component.
Das normalleitende Metall wird vorzugsweise aus solchen Metallen oder Legierungen ausgewählt, die relativ inert gegenüber einer Oxidation sind und relativ gutartig zu dem supraleitenden Material. Die erste Bedingung wird von solchen Metallen erfüllt, die eine sich selbst begrenzende Oberflächenoxidation aufweisen (obgleich diese Metalle nicht bevorzugt werden), während die letzte Bedingung bedeutet, daß die Anwesenheit des normalleitenden Metalls bei der Wärmebehandlung nicht zu einer signifikanten Verschlechterung der supraleitenden Eigenschaften des supraleitenden Materials führt. Beispielhafte normalleitende Metalle sind Au, Ag, Pt und Pd (wobei Ag z.Z. bevorzugt wird). Das normalleitende metallische Umhüllungsmaterial kann auch Verbundpartikel umfassen, d.h. Teilchen mit einem ersten Metallkern (z.B. aus Nickel oder aus rostfreiem Stahl), der von einer zweiten Metallbeschichtung (z.B. aus Silber) umgeben ist. Das Zwischenprodukt besteht typischerweise zu etwa 5 bis 50 Vol.-% aus dem normalleitenden metallischen Umhüllungsmaterial.The normal conducting metal is preferably selected from metals or alloys that are relatively inert to oxidation and relatively benign to the superconducting material. The first condition is satisfied by metals that exhibit self-limiting surface oxidation (although these metals are not preferred), while the last condition means that the presence of the normal conducting metal does not lead to a significant deterioration of the superconducting properties of the superconducting material during the heat treatment. Exemplary normal conducting metals are Au, Ag, Pt and Pd (with Ag currently being preferred). The normal conducting metallic cladding material may also comprise composite particles, i.e. particles having a first metal core (e.g. of nickel or stainless steel) surrounded by a second metal coating (e.g. of silver). The intermediate product typically consists of about 5 to 50 vol.% of the normally conductive metallic cladding material.
Die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen umfassen wahlweise eine entfernbare Ummantelung. Auf die Ummantelung kann jedoch verzichtet werden, wenn die normalleitende metallische Umhüllung eine ausreichend hohe strukturelle Festigkeit aufweist, um ohne Zerbrechen der Struktur die erforderlichen querschnittsverringernden Verfahrensschritte oder die anderen Formänderungsverfahrensschritte zu überstehen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn es sich bei dem normalleitenden metallischen Umhüllungsmaterial, so wie dies oben beschrieben wurde, um einen aus zwei Bestandteilen bestehenden röhrenförmigen Gegenstand handelt. Die Umantelung besteht vorzugsweise aus einem relativ geschmeidigen Material, das nach Beendigung des Querschnittsverringerungsschrittes und/oder der anderen Formänderungsschritte (z.B. Veränderung des Querschnittes oder der Spulenwicklung) entfernbar ist. Die Ummantelung umfaßt beispielsweise Al, Mg, Sn, Zn oder Legierungen dieser Materialien. Sie kann auch Polymere, wie z.B. weichgemachtes Thermoplast oder ein teilweise ausgehärtetes wärme- oder hitzehärtbares Polymer, oder ein Verbundmaterial umfassen, das aus einer Mischung aus Metall und einem Polymeren und/oder Keramikpulver hergestellt wird. Typische Entfernungsmethoden sind Ätzen (z.B. bei einem Aluminiummantel), Pyrolyse (z.B. bei einem Polymermantel), Schmelzen (z.B. bei einem Sn-Mantel) oder auch mechanisches Entfernen, z.B. Aufschneiden, Ziehen oder Zerbrechen (z.B. bei einem Polymermantel oder einem Mantel aus Verbundmaterial). Eine eventuell vorhandene Ummantelung umfaßt zwischen etwa 5 und 30 Vol.-% des Zwischenproduktes.The presently preferred embodiments optionally include a removable sheath. However, the sheath may be omitted if the normally conductive metallic sheath has a sufficiently high structural Strength to withstand the required cross-sectional reduction process steps or the other shape-changing process steps without breaking the structure. This is the case, for example, when the normally conductive metallic encasing material, as described above, is a two-component tubular article. The encasing preferably consists of a relatively pliable material which is removable after completion of the cross-sectional reduction step and/or the other shape-changing steps (e.g. changing the cross-section or the coil winding). The encasing comprises, for example, Al, Mg, Sn, Zn or alloys of these materials. It can also comprise polymers, such as plasticized thermoplastic or a partially cured heat- or thermosetting polymer, or a composite material made from a mixture of metal and a polymer and/or ceramic powder. Typical removal methods are etching (eg for an aluminum jacket), pyrolysis (eg for a polymer jacket), melting (eg for a Sn jacket) or mechanical removal, eg cutting, pulling or breaking (eg for a polymer jacket or a jacket made of composite material). Any jacket present comprises between about 5 and 30 vol.% of the intermediate product.
Bei einer beispielhaften bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt das Zwischenprodukt eine äußere Ummantelung (z.B. ein Al-Rohr), einen röhrenförmigen porösen normalleitenden Metallgegenstand (z.B. verdichtetes oder leicht gesintertes Ag-Pulver), der von der äußeren Ummantelung umgeben ist, und supraleitendes Oxidpulver, das eine Bohrung in dem röhrenförmigen porösen Gegenstandes nahezu vollständig ausfüllt. Solch ein Zwischenprodukt kann beispielsweise hergestellt werden, indem ein Dummy-Kernstab axial in Aluminiumrohr eingeführt und konzentrisch in dem Rohr gehalten wird. Der ringförmige Zwischenraum zwischen dem Rohr und dem Kernstab wird nun mit Silberpulver gefüllt. Anschließend wird das Pulver verdichtet und die Anordnung wird wahlweise erhitzt, so daß das Silberpulver leicht gesintert wird. Anschließend wird der Kernstab entfernt und der Raum mit Oxidpulver aufgefüllt.In an exemplary preferred embodiment of the invention, the intermediate product comprises an outer casing (eg an Al tube), a tubular porous normally conducting metal object (eg compacted or easily sintered Ag powder) surrounded by the outer casing, and superconducting oxide powder which almost completely fills a bore in the tubular porous object. Such an intermediate product can be produced, for example, by inserting a dummy core rod axially into the aluminum tube and holding it concentrically in the tube. The annular space between The tube and the core rod are now filled with silver powder. The powder is then compacted and the arrangement is optionally heated so that the silver powder is slightly sintered. The core rod is then removed and the space is filled with oxide powder.
Es gibt viele alternative Verfahren zur Herstellung des Zwischenproduktes. So kann beispielsweise ein Bindemittel oder ein fettähnliches Polymer mit dem normalleitenden Metallpulver vermischt werden. Diese Zusatzstoffe dienen dazu, das Kaltschweißen während der Querschnittsverringerung (z.B. während des Drahtziehens) zu verringern. Dieses Kaltschweißen kann zu einer Blockierung eines merklichen Bruchteils der Poren führen, wodurch der Gaszutritt zu dem supraleitenden Material verschlechtert wird. Die poröse Umhüllung kann zudem auch mehr als ein normalleitendes Metall umfassen, die entweder miteinander vermischt sind, oder in separaten Bereichen der Umhüllung getrennt angeordnet sind.There are many alternative methods for producing the intermediate product. For example, a binder or a grease-like polymer can be mixed with the normal-conducting metal powder. These additives serve to reduce cold welding during cross-sectional reduction (e.g. during wire drawing). This cold welding can lead to blockage of a significant fraction of the pores, thereby impairing gas access to the superconducting material. The porous cladding can also comprise more than one normal-conducting metal, either mixed together or arranged separately in separate areas of the cladding.
Das Zwischenprodukt wird querschnittsverringernd gezogen, gewalzt oder sein Querschnitt wird auf bekannte Art und Weise solange anders verändert, bis der gewünschte Querschnitt erreicht ist. Fachleute werden erkennen, daß man die mechanischen Eigenschaften der verschiedenen Materialien, die das Zwischenprodukt bilden, berücksichtigen muß, um ein zufriedenstellendes Verhalten bei der mechanischen Verarbeitung zu gewährleisten.The intermediate product is drawn or rolled to reduce its cross-section or its cross-section is otherwise modified in a known manner until the desired cross-section is achieved. Those skilled in the art will recognize that the mechanical properties of the various materials that make up the intermediate product must be taken into account in order to ensure satisfactory behavior during mechanical processing.
Die mechanische Verarbeitung des Zwischenproduktes, das sowohl einen supraleitenden Pulverkern als auch eine normalleitende metallische Pulverumhüllung umfaßt, ist typischerweise mit einer Verschiebung der Partikel in dem Kern und der Umhüllung verbunden. Wenn die beiden Pulverarten wesentlich verschiedene Reibungskoeffizienten aufweisen, kann es vorteilhaft sein, den relativen Reibungskoeffizienten passend einzustellen. Dies wird typischerweise durch Zusatz eines geeigneten Gleit- oder Schmiermittels zu einem der beiden Pulver oder aber auch zu beiden Pulvern erreicht. Beispielhafte Gleit- oder Schmiermittel sind z.B. Graphitpulver, Fett oder andere organische Materialien. Wie oben bereits diskutiert wurde, kann der Zusatz von Gleit- oder Schmiermitteln auch dazu verwendet werden, das Ausmaß des Kaltschweißens bei der Querschnittsverringerung zu steuern. Obgleich das Kaltschweißen des Mantelmaterials in geringem Umfange wünschenswert ist, um seinen Zusammenhalt zu verbessern, führt ein zu starkes Kaltschweißen zu einer unerwünschten Verringerung der Porosität der Ummantelung.The mechanical processing of the intermediate product, which comprises both a superconducting powder core and a normally conducting metallic powder coating, is typically associated with a displacement of the particles in the core and the coating. If the two types of powder have substantially different coefficients of friction, it may be advantageous to adjust the relative coefficient of friction accordingly. This is typically achieved by adding a suitable lubricant to one or both of the powders. Examples of lubricants include graphite powder, grease, or other organic materials. As discussed above, the addition of lubricants can also be used to control the amount of cold welding during the reduction process. Although cold welding of the jacket material to a small extent is desirable to improve its integrity, excessive cold welding will result in an undesirable reduction in the porosity of the jacket.
Nachdem die Querschnittsverringerung abgeschlossen ist, wird der längliche Gegenstand typischerweise zu einer gewünschten Gestalt geformt (z.B. zu einer Spule), während die äußere Ummantelung mit einem geeigneten Verfahren (z.B. Ätzen) entfernt wird. Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung einen Querschnitt durch einen beispielhaften länglichen Gegenstand, wobei das supraleitende Material mit dem Bezugszeichen 21 versehen ist, während der poröse normalleitende Metallmantel mit dem Bezugszeichen 22 versehen ist. Der entstehende Gegenstand wird nun erhitzt, um das supraleitende Oxidpulver zu sintern, um den Sauerstoffgehalt des Oxids einzustellen und um im wesentlichen auf herkömmliche Art und Weise die gewünschte Kristallphase zu erzeugen (siehe z.B. R.J. Cava an der bereits zitierten Stelle). Der Gegenstand wird beispielsweise in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre (wie z.B. Luft, strömender Sauerstoff oder unter hohem Druck stehender Sauerstoff) bis auf eine Temperatur im Bereich zwischen 500 und 1000ºC erhitzt. Anschließend wird er für 1 bis 100 Std. in Kontakt mit der Atmosphäre auf dieser Temperatur gehalten, bevor er in stetem Kontakt mit der Atmosphäre relativ langsam (typischerweise mit einer Abkühlgeschwindigkeit von weniger als etwa 250ºC pro Stunde, wobei Zwischenstopps bei Zwischentemperaturen nicht ausgeschlossen sind) bis auf eine Temperatur im Bereich zwischen 200 und 500ºC abgekühlt wird. Anschließend erfolgt die Abkühlung auf Raumtemperatur.After the reduction in cross-section is complete, the elongated article is typically formed into a desired shape (e.g., a coil) while the outer sheath is removed by a suitable process (e.g., etching). Fig. 2 shows a schematic cross-section through an exemplary elongated article, wherein the superconducting material is designated by the reference numeral 21, while the porous normally conducting metal sheath is designated by the reference numeral 22. The resulting article is now heated to sinter the superconducting oxide powder, to adjust the oxygen content of the oxide, and to produce the desired crystal phase in essentially conventional manner (see, e.g., RJ Cava, cited above). The article is heated, for example, in an oxygen-containing atmosphere (such as air, flowing oxygen, or oxygen under high pressure) to a temperature in the range between 500 and 1000°C. It is then kept at this temperature for 1 to 100 hours in contact with the atmosphere before being cooled relatively slowly (typically at a cooling rate of less than about 250ºC per hour, with no intermediate stops at intermediate temperatures) in continuous contact with the atmosphere. excluded) to a temperature in the range between 200 and 500ºC. The mixture is then cooled to room temperature.
Der so hergestellte längliche Supraleiter mit einer normalleitenden Metallumhüllung ist, falls gewünscht, mit einem beliebigen geeigneten Material, wie z.B. einem Polymer oder mit einem normalleitenden Metall, beschichtbar, indem er beispielsweise mit einer passenden Flüssigkeit oder Schmelze besprüht oder in diese eingetaucht wird, oder aber durch eine Gasphasenabscheidung. Eine solche Beschichtung ist vorzugsweise nicht porös. Sie wird vorteilhafterweise so gewählt, daß sie im wesentlichen undurchdringlich ist für Sauerstoff, Wasserdampf und andere Gase. Alternativ hierzu kann die Oberfläche der porösen normalleitenden Metallumhüllung selektiv aufgeschmolzen (z.B. mittels eines Lasers) und wieder verfestigt werden, um die Außenseite der porösen Umhüllung abzudichten, wobei jedoch die supraleitenden Eigenschaften des supraleitenden Kerns beibehalten werden.The elongated superconductor with a normally conducting metal cladding thus produced can, if desired, be coated with any suitable material, such as a polymer or with a normally conducting metal, for example by spraying or immersing it in a suitable liquid or melt, or by vapor deposition. Such a coating is preferably non-porous. It is advantageously chosen so that it is substantially impermeable to oxygen, water vapor and other gases. Alternatively, the surface of the porous normally conducting metal cladding can be selectively melted (e.g. by means of a laser) and re-solidified to seal the outside of the porous cladding, but retaining the superconducting properties of the superconducting core.
Erfindungsgemäße supraleitende Gegenstände können bei einer Reihe von Vorrichtungen und Systemen verwendet werden. Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung eine beispielhafte Vorrichtung, nämlich einen supraleitenden Elektromagneten 30, wobei mit den Bezugszeichen 31 und 32 ein erfindungsgemäßer umhüllter supraleitender Gegenstand bzw. ein röhrenförmiger Stützkörper bezeichnet ist.Superconducting articles according to the invention can be used in a number of devices and systems. Fig. 3 shows a schematic representation of an exemplary device, namely a superconducting electromagnet 30, wherein the reference numerals 31 and 32 designate a coated superconducting article according to the invention and a tubular support body, respectively.
Wie oben bereits erwähnt wurde, ist die Erfindung nicht nur zur Herstellung von supraleitenden Oxidgegenständen mit einer normalleitenden Metallumhüllung verwendbar, sondern prinzipiell auch zur Herstellung von mit einer normalleitenden Metallumhüllung umgebenen Gegenständen aus einem anderen Material, das während der Wärmebehandlung in Kontakt mit einem Atmosphärengas (z.B. O&sub2;, CO&sub2;, N&sub2;, Cl&sub2;, F&sub2;) stehen muß.As already mentioned above, the invention is not only usable for the production of superconducting oxide objects with a normally conducting metal coating, but in principle also for the production of objects surrounded by a normally conducting metal coating made of another material which must be in contact with an atmospheric gas (e.g. O₂, CO₂, N₂, Cl₂, F₂) during the heat treatment.
In ein Aluminiumrohr (mit einem Außendurchmesser von 6,3 mm und einer Wandstärke von 0,76 mm) mit einem abgedichteten Boden wurde ein 3,2 mm dicker Stab aus rostfreiem Stahl eingeführt und so gehalten, daß er sich in der Mitte befand. Der Raum zwischen dem Rohr und dem Stab wurde mit Silberpulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 8 µm aufgefüllt. Nun wurde der Stab entfernt und in den entstehenden Zwischenraum wurde Oxidpulver mit der Zusammensetzung Ba&sub2;YCu&sub3;O&sub7; und einer durchschnittlichen Teilchengröße von 2,5 µm, das auf die von Cava et al. beschriebene Art und Weise hergestellt wurde (op. cit.), eingefüllt und zusammengepreßt. Das offene Ende des so gebildeten Zwischenproduktes (der Vorform) wurde nun durch Einfalten und Gesenkschmieden abgedichtet. Bis zu diesem Punkt wurde die Verarbeitung in Luft durchgeführt. Der Durchmesser der Vorform wurde nun auf herkömmliche Art und Weise durch Ziehen durch Ziehdüsen oder Preßringe (vier Durchgänge) auf 4,6 mm verringert. Nun wurde der äußere Aluminiummantel aufgelöst, indem der gezogene Gegenstand in ein Natriumhydroxidbad gelegt wurde. Der verbleibende längliche Gegenstand wies einen äußeren Durchmesser von etwa 3,2 mm auf. Der Gegenstand wurde nun für 8 Std. in einem Sauerstoffstrom auf 930ºC gehalten, im Ofen auf 600ºC abgekühlt, bei dieser Temperatur für 8 Std. gehalten und anschließend im Ofen auf 300ºC abgekühlt, wobei der Ofen jeweils von Sauerstoff durchströmt wurde. Der wärmebehandelte längliche Gegenstand wurde nun getestet und es zeigte sich, daß er bei 77 K supraleitfähig war. Seine Übergangstemperatur Tc betrug etwa 93 K.A 3.2 mm thick stainless steel rod was inserted into an aluminum tube (6.3 mm outside diameter and 0.76 mm wall thickness) with a sealed bottom and held in the center. The space between the tube and the rod was filled with silver powder with an average particle size of 8 µm. The rod was then removed and the resulting space was filled with oxide powder with the composition Ba₂YCu₃O₇ and an average particle size of 2.5 µm, prepared in the manner described by Cava et al. (op. cit.), and compressed. The open end of the intermediate product thus formed (the preform) was now sealed by folding and swaging. Up to this point, processing was carried out in air. The diameter of the preform was then reduced to 4.6 mm in the conventional manner by drawing through dies or die rings (four passes). The outer aluminium shell was then dissolved by placing the drawn article in a sodium hydroxide bath. The remaining elongated article had an outer diameter of about 3.2 mm. The article was then held in a flow of oxygen at 930ºC for 8 hours, cooled in the furnace to 600ºC, held at this temperature for 8 hours and then cooled in the furnace to 300ºC with oxygen flowing through the furnace each time. The heat-treated elongated article was then tested and found to be superconductive at 77 K. Its transition temperature Tc was about 93 K.
Ein röhrenförmiger Gegenstand (mit einem Außendurchmesser von 6,3 mm und einem Innendurchmesser von 5,3 mm) wurde auf herkömmliche Art und Weise durch Heißpressen (600ºC) aus gründlich miteinander vermischtem Silber- und Alumniumpulver (2:1 Volumenanteile, durchschnittliche Partikelgröße 76,2 bzw. 508 µm (0,003 bzw. 0,02 Zoll)) hergestellt. Ein Ende des röhrenförmigen Gegenstandes wurde geschlossen und Pulver (mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 2,5 µm) mit der Zusammensetzung Ba&sub2;YCu&sub3;O&sub7; wurde in den Kern eingefüllt. Nach dem Verschließen des zweiten Endes wurde der Querschnitt der so gebildeten Vorform durch Walzen zu einem 0,76 mm dicken Band verändert, das solange in ein Natriumhydroxidbad getaucht wurde, bis der Aluminiumbestandteil der normalleitenden metallischen Ummantelung aufgelöst war. Der so hergestellte Gegenstand mit einer porösen Ummantelung wurde nun auf die in Beispiel I bereits beschriebene Art und Weise wärmebehandelt. Er war supraleitfähig bei 77 K.A tubular article (6.3 mm outside diameter and 5.3 mm inside diameter) was prepared in a conventional manner by hot pressing (600ºC) from thoroughly mixed silver and aluminum powders (2:1 by volume, average particle size 76.2 and 508 µm (0.003 and 0.02 inches, respectively)). One end of the tubular The second end of the article was closed and powder (with an average particle size of 2.5 µm) with the composition Ba₂YCu₃O₇ was filled into the core. After closing the second end, the cross-section of the preform thus formed was changed by rolling to a 0.76 mm thick ribbon, which was immersed in a sodium hydroxide bath until the aluminum component of the normally conductive metallic sheath was dissolved. The article thus produced with a porous sheath was then heat treated in the manner already described in Example I. It was superconductive at 77 K.
Ein supraleitender Draht wurde im wesentlichen auf die gleiche Art und Weise wie in Beispiel I hergestellt, mit Ausnahme der Tatsache, daß der Draht vor dem Auflösen des Aluminiummantels schraubenförmig um einen Formkern gewickelt wurde. Die so entstandene Spule wurde auf einem röhrenförmigen Stützkörper angeordnet, so wie dies in Fig. 3 im wesentlichen dargestellt ist.A superconducting wire was prepared in substantially the same manner as in Example I, except that the wire was wound helically around a mandrel prior to dissolving the aluminum sheath. The resulting coil was placed on a tubular support substantially as shown in Fig. 3.
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